Untersuchungen von Hochfrequenzentladungen an mikrostrukturierten Elektrodensystemen (MSE) zur Oberflächenmodifikation

Schrader, Christian

Mikrostrukturierte Elektrodensysteme sind geeignete nicht-thermische Plasmaquellen, um bei Atmosphärendruck zu arbeiten. Das Thema dieser Dissertation ist es zu demonstrieren, wie die MSE von einer nach dem Paschen-Gesetz optimierten Plasmaquelle zu einer Anwendung bei Atmosphärendruck unter Ausnutzung der jeweils optimalen Entladungsbedingungen in verschiedenen Gasen weiterentwickelt werden kann. Außerdem kann die Anwendbarkeit der Plasmaquelle durch die Ergebnisse der Charakterisierung ausgeweitet werden, nachdem mit einer Erhöhung der verwendeten Radiofrequenz die Plasmaquelle bis zu Atmosphärendruck in Stickstoff stabil und mit einer verbesserten Homogenität der Entladung gezündet werden kann. Ein Gegenstand der Entwicklungsarbeit war es, anhand der Anwendungen zu demonstrieren, dass es möglich ist mit dieser Plasmaquelle selbst resistente Referenzsporen für verschiedene Sterilisationsmethoden durch die Plasmaeinwirkung zu deaktivieren. Weiterhin sollte die Möglichkeit untersucht werden, bis zu Atmosphärendruck Beschichtungsexperimente zu realisieren. Es wurden im Rahmen der Charakterisierung die Zündungsparameter bestimmt, um den Fortschritt der Optimierung anhand des minimalen Leistungseintrages zur Zündung abzubilden und Strom-Spannungskurven aufgenommen, um den Betrieb im Glimmentladungsbereich sicherzustellen. Optische-, zeitaufgelöste Emissionsspektroskopie des vergrößerten Entladungsspaltes im UV-VIS-Bereich, Temperaturmessungen der Plasmaquelle im Betrieb und massenspektrometrische Online-Produktanalysen wurden durchgeführt, um möglichst lückenlose Informationen zu erhalten und Wirkmechanismen der Anwendungen vorherzusagen. Um darüber hinaus künftig mit Hilfe laserinduzierter Fluoreszenz die Generation schichtbildender- oder evtl. keimtötender Spezies im Plasma dreidimensional und zeitaufgelöst verfolgen zu können, wurde ein weiterer Versuchsstand zur Plasmaanalyse konzipiert, realisiert sowie die Funktionsfähigkeit demonstriert. Im Ergebnis führten diese Experimente zu einer Identifizierung und Optimierung relevanter Parameter wie zum Beispiel der Plasmaleistung, dem Substratabstand oder der Gaszusammensetzung, um den optimalen Betrieb der jeweiligen Anwendung zu erzielen.

Microstructured electrode arrays are suitable non-thermal plasma sources working at atmospheric pressure. The topic of this thesis is to demonstrate how the MSE could be developed from a paschen law optimized plasma source to an atmospheric pressure application using optimal discharge regimes in several gases. The results of the characterization experiments could improve the applicability of the plasma source because higher excitation frequencies led to a more stable and homogenous discharge at atmospheric pressure in nitrogen. Another topic of this thesis was to demonstrate that even resistant spores that easily endure several sterilisation methods could be deactivated by the plasma treatment. Further the possibility was analysed to carry out plasma enhanced chemical vapour deposition experiments up to atmospheric pressure. The characterization included the determination of certain ignition parameters to monitor the progress of the optimization and voltage/current characteristics to assure a glow discharge mode of the plasma. Optical- and time-resolved emission spectroscopy of the magnified electrode gap, temperature measurements of the plasma source in operation and mass spectroscopy were carried out to gather complete information and to predict the modes of action in several applications. In the future the generation of deposit forming species or germicidal species will be observed three-dimensional by laser induced fluorescence. This experimental setup was designed, realised and finally the operability was tested. The results should lead to the identification and optimization of relevant parameters like plasma power, distance to the substrate, gas composition etc. to maintain optimal operation in several applications.

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Schrader, Christian: Untersuchungen von Hochfrequenzentladungen an mikrostrukturierten Elektrodensystemen (MSE) zur Oberflächenmodifikation. 2006.

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